Fusion von komplexen Sensoren − Ermittlung der absoluten Tempe-raturverteilung beim Räumen

In der Zerspanung stellt die Temperatur in der Schneidzone eine zentrale Größe dar, welche einen direkten Einfluss auf den Werkzeugverschleiß sowie die Produktqualität nimmt. Prozesseingangsgrößen, wie der zu zerspanende Werkstoff, der Schneidstoff oder Prozessparameter, wie die Schneidengeometrie, Vorschübe und Schnittgeschwindigkeiten, beeinflussen die Temperatur in der Zerspanzone maßgeblich. Grundsätzlich sind die Temperaturen bei niedriger Produktivität, d. h. geringen Materialabtragsraten nicht sehr hoch und die Qualität der erzeugten Oberflächen ist nicht gefährdet. Auf dem Weg in Bereiche höherer Produktivität steigt die Temperatur in der Zerspanzone und das Risiko einer thermischen Gefügeschädigung des Werkstücks sowie der Werkzeugverschleiß nehmen zu. Je nach Optimierungsziel kann ein ideales Fenster, in welchem der Prozess geführt werden soll, bei unterschiedlichen Schnittzonentemperaturbereichen liegen. Eine Messung der Schneidzonentemperatur im industriellen Prozess ist heute nicht ohne Weiteres möglich. Die Gründe hierfür liegen in der begrenzten Zugänglichkeit der Zerspanzone und der bisher erforderlichen Präparation der Werkstücke, die zwangsläufig mit einer Zerstörung der Komponenten einhergeht. Aus diesem Grund müssen Temperaturen im Versuch gemessen werden und später mithilfe eines Prozessmodells über andere, messbare Größen ermittelt werden. Im Räumprozess eignet sich hierzu besonders die Kraftmessung an der Werkzeugschneide. Die am Werkzeug wirkenden Kräfte enthalten die Information über die gesamte mechanische Energie, die im Prozess in Wärme gewandelt werden kann. Im Gegensatz zu anderen Prozessen mit geometrisch bestimmter Schneide, wie dem Drehen, Bohren oder Fräsen, ist eine werkzeugseitige Messung der Temperatur beim Räumen undenkbar. Räumwerkzeuge setzen sich aus vielen Segmenten zusammen und können so bis zu mehrere tausend Einzelschneiden besitzen. Aus diesem Grund muss die Messung der Temperatur entweder werkstückseitig oder berührungslos (optisch) erfolgen.

Zur Messung der Temperatur wurde durch einen geeigneten Aufbau die Möglichkeit für eine in-situ-Messung geschaffen . Verwendet wurde eine SC7600 High-Speed Thermografiekamera zur Erfassung der Temperaturverteilung in der Zerspanzone. Bei der Bestimmung absoluter Temperaturwerte mithilfe der Thermografie gestaltet sich jedoch die Unkenntnis über den Emissionsgraden der Objektoberflächen problematisch. Unterschiedliche Materialen und Oberflächenbeschaffenheiten verursachen unterschiedliche Emissionsgrade, weiter ist der Emissionsgrad selbst eine nicht-lineare temperaturabhängige Größe. Dieser Umstand ist vor allem im Falle von glänzenden Metalloberflächen kritisch, da die Emissionsgrade in der Größenordnung von 0,1 bis 0,3 liegen. Eine Erhöhung des Emissionsgrads kann durch Lackieren (mit schwarzer Farbe) der Messobjekte erreicht werden. Eine exakte Bestimmung der Temperatur ist auf diese Weise dennoch nicht möglich. Im vorgestellten Beispiel beim Räumen von schwer zerspanbaren Werk-stoffen wurde dieser Herausforderung durch eine Addition komplexer Sensoren begegnet. So wurde der Messaufbau mit der High-Speed Ther-mografiekamera um ein 2-Farben-Pyrometer ergänzt. Das 2-Farben-Pyrometer bietet durch die interne Referenzierung von Messsignalen aus zwei benachbarten Wellenlängenbereichen die Möglichkeit, den Einfluss des Emissionsgrads zu eliminieren, und dient somit als optisches, absolutes Temperaturmessgerät. Durch den Einbezug des Pyrometersignals kann eine dynamische, temperaturabhängige Kalibrierung der Thermografiemessungen erfolgen. Bild 11 zeigt, wie durch eine zeitliche Synchronisation der Messdaten eine Kalibrierfunktion für den überlappenden Arbeitsbereich beider Systeme generiert wird.

Bei der Verarbeitung von Prozessmessdaten besteht eine wesentliche Herausforderung in den unterschiedlichen Abtastraten der Messsignale aus den Systemen. Während die Messung beim 2-Farben-Pyrometer punktuell geschieht, wird bei der Thermografie die Wärmestrahlung über einen relativ großen Bildbereich aufgezeichnet. Weiterhin ist hier der Messbereich deutlich größer, welcher bereits bei Raumtemperatur beginnt. Dies führt dazu, dass die Integrationszeiten länger werden und die Abtastrate im gleichen Verhältnis abnimmt. In der Konsequenz kommt es zu einer Ungleichheit der Zeitintervalle zwischen den einzelnen Messpunkten. Zur Ermittlung einer geeigneten Kalibrierfunktion musste daher bei der Verwendung von Prozessdaten die Position des Pyrometermessflecks einbezogen werden. Bild 12 zeigt die vier unterschiedlichen Fälle, die bei der Kombination beider Signale unterschieden wurden.

Wie die Kalibrierkurve im linken Bildteil zeigt, konnte das Ergebnis durch die zusätzliche Ortsinformation deutlich verbessert werden. Mit dem vorgestellten Verfahren können so sämtliche Messungen kalibriert werden. Es liegen absolute Temperaturverteilungen über den Prozess und damit alle für die weitere Prozessmodellierung notwendigen Daten vor. Zur Bestimmung der absoluten Temperaturverteilung beim Räumen ist die Verwendung von zwei Messsystemen erforderlich, die beide die Temperatur erfassen. Die Systeme unterscheiden sich hinsichtlich ihres zeitlichen und räumlichen Auflösungsvermögens. In der Produktionstechnik sind weitere Anwendungen denkbar, die eine Fusion von Sensoren erfordern, um für die digitale Produktion, durch Kombination des zeitlichen oder örtlichen Auflösungsvermögens, einen innovativen Sensor mit neuartigen Möglichkeiten zu schaffen.